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4H-SIC wurde als Material für Power-Semiconductor-Geräte kommerzialisiert. Die langfristige Zuverlässigkeit von 4H-Sic-Geräten ist jedoch ein Hindernis für ihre breite Anwendung, und das wichtigste Zuverlässigkeitsproblem von 4H-Sic-Geräten ist der bipolare Abbau. Dieser Abbau wird durch eine einzelne Shockley-Stapelfehler (1SSF) verursacht. Hier schlagen wir eine Methode zur Unterdrückung der 1SSF-Expansion vor, indem sie Protonen auf 4H-SIC-Epitaxialwafern implantieren. Pindioden, die auf Wafern mit Protonenimplantation hergestellt wurden, zeigten die gleichen Strom-Spannungs-Eigenschaften wie Dioden ohne Protonenimplantation. Im Gegensatz dazu wird die 1SSF-Expansion in der protonimplantierten Pin-Diode effektiv unterdrückt. Daher ist die Implantation von Protonen in 4H-sic-epitaxiale Wafer eine wirksame Methode zur Unterdrückung des bipolaren Abbaues von 4H-SIC-Leistungs-Halbleiter-Geräten bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der Geräteleistung. Dieses Ergebnis trägt zur Entwicklung von hoch zuverlässigen 4h-Sic-Geräten bei.
Siliziumcarbid (SIC) ist weithin als Halbleitermaterial für Hochleistungs-hochfrequente Halbleiter-Geräte anerkannt, die in harten Umgebungen betrieben werden können1. Es gibt viele SIC-Polytypen, darunter 4H-SIC hat eine hervorragende physikalische Eigenschaften des Halbleitergeräts wie hohe Elektronenmobilität und ein starkes Elektrofeld 2. 4H-SIC-Wafer mit einem Durchmesser von 6 Zoll werden derzeit kommerzialisiert und zur Massenproduktion von Power-Halbleiter-Geräten3 verwendet. Traktionssysteme für Elektrofahrzeuge und -züge wurden mit 4H-SIC4.5-Power-Semiconductor-Geräten hergestellt. 4H-SIC-Geräte leiden jedoch immer noch unter langfristigen Zuverlässigkeitsproblemen wie dielektrischem Durchbruch oder Kurzschlusszuverlässigkeit, von denen 6,7 eines der wichtigsten Zuverlässigkeitsprobleme der bipolare Abbau 2,8,9,10,11 ist. Dieser bipolare Abbau wurde vor über 20 Jahren entdeckt und war seit langem ein Problem bei der Herstellung von SIC -Geräten.
Der bipolare Abbau wird durch einen einzelnen Shockley-Stapeldefekt (1SSF) in 4H-Sic-Kristallen mit Basalebene-Versagen (BPDS) verursacht, die durch Rekombination verstärkt wurden, verstärktes Versetzungsgleit (REDG) 12,13,14,15,16,17,18,19. Wenn die BPD-Expansion auf 1SSF unterdrückt wird, können 4H-SIC-Leistungsgeräte ohne bipolare Abbau hergestellt werden. Es wurde berichtet, dass verschiedene Methoden die BPD -Ausbreitung unterdrücken, z. In den neuesten SIC -epitaxialen Wafern ist die BPD hauptsächlich im Substrat und nicht in der epitaxialen Schicht aufgrund der Umwandlung von BPD in TED während des Anfangsstadiums des epitaxialen Wachstums vorhanden. Daher ist das verbleibende Problem des bipolaren Abbaus die Verteilung von BPD im Substrat 25,26,27. Die Einführung einer „zusammengesetzten Verstärkungsschicht“ zwischen der Driftschicht und dem Substrat wurde als wirksame Methode zur Unterdrückung der BPD-Expansion im Substrat28, 29, 30, 31 vorgeschlagen. Diese Schicht erhöht die Wahrscheinlichkeit der Elektronenlochpaarrekombination in der Epitaxialdiefe und im SIC-Substrat. Durch die Reduzierung der Anzahl der Elektronenlochpaare reduziert die Antriebskraft von Redg auf BPD im Substrat, sodass die Verbundverstärkungsschicht den bipolaren Abbau der bipolaren Verstärkung unterdrücken kann. Es ist zu beachten, dass die Einführung einer Schicht zusätzliche Kosten für die Herstellung von Wafern beinhaltet, und ohne die Einführung einer Schicht ist es schwierig, die Anzahl der Elektronenlochpaare zu reduzieren, indem nur die Kontrolle der Lebensdauer der Trägersteuersteuerung gesteuert wird. Daher besteht immer noch ein starkes Bedürfnis, andere Unterdrückungsmethoden zu entwickeln, um ein besseres Gleichgewicht zwischen den Kosten für Geräteherstellung und Ertrag zu erreichen.
Da die Erweiterung des BPD auf 1SSF eine Bewegung von teilweise Versetzungen (PDS) erfordert, ist das Pinning der PD ein vielversprechender Ansatz zur Hemmung des bipolaren Abbaus. Obwohl PD-Pinning durch Metallverunreinigungen berichtet wurde, befinden sich FPDs in 4H-SIC-Substraten in einem Abstand von mehr als 5 & mgr; m von der Oberfläche der epitaxialen Schicht. Da der Diffusionskoeffizient eines Metalls in SIC sehr gering ist, ist es für Metallverunreinigungen schwierig, in das Substrat zu diffundieren34. Aufgrund der relativ großen Atommasse von Metallen ist auch die Ionenimplantation von Metallen schwierig. Im Gegensatz dazu können im Fall von Wasserstoff das leichteste Element (Protonen) in einer Tiefe von mehr als 10 µm unter Verwendung eines MEV-Klasse-Beschleunigers in eine Tiefe von mehr als 10 µm in 4H-SIC implantiert werden. Wenn die Protonenimplantation das PD -Pinning beeinflusst, kann sie daher verwendet werden, um die BPD -Ausbreitung im Substrat zu unterdrücken. Die Protonenimplantation kann jedoch 4H-SIC schädigen und zu einer verringerten Leistung der Geräte 37,38,39, 40 führen.
Um den Abbau des Geräts aufgrund von Protonenimplantation zu überwinden, wird Hochtemperatur-Glühen verwendet, um Schäden zu reparieren, ähnlich wie die nach Akzeptorionenimplantation in der Geräteverarbeitung1, 40, 41, 42, 42 übliche Methode. Obwohl sekundärer Ionenmassenspektrometrie (SIMS) 43 berichtet wurde, dass der Wasserstoff-Diffusionsdiffusionsdiffusions-Abneigung mithilfe von Highogen-Anhänger. Das Pinning der PR unter Verwendung von SIMs. Daher haben wir in dieser Studie Protonen in 4H-SIC-Epitaxialwafern vor dem Herstellungsprozess der Geräte implantiert, einschließlich Hochtemperatur-Tempern. Wir verwendeten Pin-Dioden als experimentelle Gerätestrukturen und stellten sie auf protonimplantierten 4H-Sic-Epitaxialwafern her. Anschließend beobachteten wir die Volt-Ampere-Eigenschaften, um den Abbau der Geräteleistung aufgrund der Protoneninjektion zu untersuchen. Anschließend beobachteten wir die Expansion von 1SSF in Elektrolumineszenzbildern (EL), nachdem eine elektrische Spannung auf die Pin -Diode aufgetragen wurde. Schließlich bestätigten wir die Wirkung der Protoneninjektion auf die Unterdrückung der 1SSF -Expansion.
Auf Abb. Abbildung 1 zeigt die Strom -Spannungs -Eigenschaften (CVCs) von Pindioden bei Raumtemperatur in Regionen mit und ohne Protonenimplantation vor dem pulsierten Strom. Pin -Dioden mit Protoneninjektion zeigen, dass Richtigungseigenschaften wie Dioden ohne Protoneninjektion ähnlich sind, obwohl die IV -Eigenschaften zwischen den Dioden geteilt werden. Um die Differenz zwischen den Injektionsbedingungen anzuzeigen, haben wir die Spannungsfrequenz bei einer Vorwärtsstromdichte von 2,5 a/cm2 (entsprechend 100 mA) als statistisches Diagramm aufgetragen, wie in Abbildung 2 gezeigt. Die durch eine Normalverteilung approxierte Kurve wird auch durch eine gepunktete Linie dargestellt. Linie. Wie aus den Peaks der Kurven hervorgeht, nimmt die On-Resistenz bei Protonendosen von 1014 und 1016 cm-2 leicht zu, während die Pin-Diode mit einer Protonendosis von 1012 cm-2 nahezu die gleichen Eigenschaften wie ohne Protonenimplantation zeigt. Wir führten auch die Protonenimplantation nach der Herstellung von Pindioden durch, die aufgrund von Schäden, die durch Protonenimplantation verursacht wurden, keine gleichmäßige Elektrolumineszenz aufwiesen, wie in Abbildung S1 gezeigt, wie in früheren Studien beschrieben37, 38, 39 beschrieben. Daher ist das Tempern bei 1600 ° C nach der Implantation von Al-Ionen ein notwendiges Verfahren zur Herstellung von Geräten zur Aktivierung des AL-Akzeptors, wodurch die durch Protonenimplantation verursachten Schäden repariert werden können, wodurch die CVCs zwischen implantierten und nicht implantierten Protonenstiftdioden gleich sind. Die umgekehrte Stromfrequenz bei -5 V ist auch in Abbildung S2 dargestellt. Es gibt keinen signifikanten Unterschied zwischen Dioden mit und ohne Protoneninjektion.
Volt-Ampere-Eigenschaften von Pindioden mit und ohne injizierte Protonen bei Raumtemperatur. Die Legende zeigt die Protonendosis an.
Spannungsfrequenz bei Gleichstrom 2,5 A/CM2 für Pindioden mit injizierten und nicht injizierten Protonen. Die gepunktete Linie entspricht der Normalverteilung.
Auf Abb. 3 zeigt ein EL -Bild einer Pindiode mit einer Stromdichte von 25 A/CM2 nach der Spannung. Vor dem Auftragen der gepulsten Stromlast wurden die dunklen Regionen der Diode nicht beobachtet, wie in Abbildung 3 gezeigt. C2. Wie in Abb. 1 gezeigt. 3a, in einer Pin -Diode ohne Protonenimplantation wurden nach dem Auftragen einer elektrischen Spannung mehrere dunkle gestreifte Regionen mit leichten Kanten beobachtet. Solche stäbchenförmigen dunklen Regionen werden in EL-Bildern für 1SSF beobachtet, die sich vom BPD im Substrat 28,29 erstrecken. Stattdessen wurden einige erweiterte Stapelfehler in Pindioden mit implantierten Protonen beobachtet, wie in 3B - D gezeigt. Unter Verwendung der Röntgentopographie bestätigten wir das Vorhandensein von PRs, die sich an der Peripherie der Kontakte in der Pin-Diode ohne Protoneninjektion zum Substrat bewegen können (Abb. 4: Dieses Bild ohne Entfernen der oberen Elektrode (fotografiert, PR unter den Elektroden ist nicht sichtbar). Daher ist das dunkle Gebiet der Dunkelne. Das EL-Bild entspricht einer anderen Ladung 1SSSF 1SSSF BPD in der Substrats. In den Abbildungen 1 und 2. Videos S3-S6 mit und ohne erweiterte dunkle Bereiche (zeitlich variierende EL-Bilder von Pindioden ohne Protoneninjektion und bei 1014 cm-2 implantiert) sind auch in ergänzenden Informationen gezeigt.
EL-Bilder von Stiftdioden bei 25 A/cm2 nach 2 Stunden elektrischer Spannung (a) ohne Protonenimplantation und mit implantierten Dosen von (b) 1012 cm-2, (c) 1014 cm-2 und (d) 1016 cm-2 Protons.
Wir haben die Dichte von erweitertem 1SSF berechnet, indem wir dunkle Bereiche mit hellen Kanten in drei Pin-Dioden für jeden Zustand berechnet haben, wie in Abbildung 5 gezeigt.
Erhöhte Dichten von SF -Pin -Dioden mit und ohne Protonenimplantation nach Belastung mit einem gepulsten Strom (jeder Zustand umfasste drei belastete Dioden).
Die Verkürzung der Lebensdauer der Träger beeinflusst auch die Expansionsunterdrückung, und die Protoneninjektion verringert die Lebensdauer 32,36. Wir haben die Lebensdauer der Träger in einer epitaxialen Schicht 60 µm dick mit injizierten Protonen von 1014 cm-2 beobachtet. Aus der anfänglichen Trägerlebenszeit stellt das Implantat den Wert auf ~ 10%, obwohl das anschließende Glühen ihn auf ~ 50%wiederherstellt, wie in Abb. S7 gezeigt. Daher wird die Lebensdauer des Trägers, die aufgrund der Protonenimplantation reduziert wird, durch Hochtemperaturglühen wiederhergestellt. Obwohl eine 50% ige Verringerung der Lebensdauer der Träger auch die Ausbreitung von Stapelfehlern unterdrückt, zeigen die I-V-Eigenschaften, die typischerweise von der Lebensdauer der Träger abhängen, nur geringfügige Unterschiede zwischen injizierten und nicht implantierten Dioden. Daher glauben wir, dass die Verankerung von PD eine Rolle bei der Hemmung der 1SSF -Expansion spielt.
Obwohl Sims nach dem Tempern bei 1600 ° C keinen Wasserstoff nachgewiesen haben, beobachteten wir, wie in früheren Studien berichtet wurde, die Wirkung der Protonenimplantation auf die Unterdrückung der 1SSF-Expansion, wie in den Abbildungen 1 und 4. 3, 4. Es ist zu beachten, dass wir aufgrund der Dehnung von 1SSF nach einer Überspannungsstrombelastung einen Anstieg des Widerstands des Staates nicht bestätigt haben. Dies kann auf unvollständige ohmische Kontakte zurückzuführen sein, die mit unserem Prozess hergestellt werden und in naher Zukunft beseitigt werden.
Zusammenfassend haben wir eine Quenching-Methode zur Erweiterung des BPD auf 1SSF in 4H-SIC-Stiftdioden unter Verwendung einer Protonenimplantation vor der Herstellung von Geräten entwickelt. Die Verschlechterung der I -V -Eigenschaft während der Protonenimplantation ist unbedeutend, insbesondere bei einer Protonendosis von 1012 cm - 2, aber die Auswirkung der Unterdrückung der 1SSF -Expansion ist signifikant. Obwohl wir in dieser Studie 10 µm dicke Stiftdioden mit Protonenimplantation bis zu einer Tiefe von 10 µm hergestellt haben, ist es immer noch möglich, die Implantationsbedingungen weiter zu optimieren und sie zur Herstellung anderer Arten von 4H-SIC-Geräten anzuwenden. Zusätzliche Kosten für die Herstellung von Geräten während der Protonenimplantation sollten berücksichtigt werden, sie werden jedoch denen für die Aluminium-Ion-Implantation ähnlich sein, die der Hauptherstellungsprozess für 4H-SIC-Leistungsgeräte darstellt. Daher ist die Protonenimplantation vor der Verarbeitung der Geräte eine potenzielle Methode zur Herstellung von 4H-SIC-bipolaren Leistungsgeräten ohne Degeneration.
Ein 4-Zoll-4H-SIC-Wafer mit einer epitaxialen Schichtdicke von 10 uM und eine Spender-Doping-Konzentration von 1 × 1016 cm-3 wurde als Probe verwendet. Vor der Verarbeitung des Geräts wurden H+ -Ionen mit einer Beschleunigungsenergie von 0,95 MeV bei Raumtemperatur bis zu einer Tiefe von etwa 10 & mgr; m in einem normalen Winkel zur Plattenoberfläche in die Platte implantiert. Während der Protonenimplantation wurde eine Maske auf einer Platte verwendet, und die Platte hatte Abschnitte ohne und mit einer Protonendosis von 1012, 1014 oder 1016 cm-2. Dann wurden Al -Ionen mit Protonendosen von 1020 und 1017 cm - 3 über den gesamten Wafer in eine Tiefe von 0–0,2 µm und 0,2–0,5 µm von der Oberfläche implantiert, gefolgt von Tempern bei 1600 ° C, um eine Kohlenstoffkappe zu bilden, um eine AP -Schicht zu bilden. -Typ. Anschließend wurde auf der Substratseite ein Ni-Kontakt der Rückseite abgelagert, während ein durch Photolithographie gebildeter Kamm-Ti/Al-Vorderseite von 2,0 mm kämmförmiger Ti/Al-Vorderseite auf der epitaxialen Schichtseite abgelagert wurde. Schließlich erfolgt das Kontakt mit Tempern bei einer Temperatur von 700 ° C. Nachdem wir den Wafer in Chips geschnitten hatten, führten wir Spannungscharakterisierung und Anwendung durch.
Die I -V -Eigenschaften der hergestellten Stiftdioden wurden unter Verwendung eines HP4155B -Halbleiterparameteranalysators beobachtet. Als elektrische Spannung wurde ein 10-Millisekunden-Pulsstrom von 212,5 A/CM2 für 2 Stunden mit einer Frequenz von 10 Impulsen/Sekunden eingeführt. Wenn wir uns für eine niedrigere Stromdichte oder -frequenz entschieden haben, haben wir selbst in einer Pin -Diode ohne Protoneninjektion keine 1SSF -Expansion beobachtet. Während der angelegten elektrischen Spannung beträgt die Temperatur der Stiftdiode etwa 70 ° C ohne absichtliche Erwärmung, wie in Abbildung S8 gezeigt. Elektrolumineszierende Bilder wurden vor und nach elektrischer Spannung bei einer Stromdichte von 25 A/CM2 erhalten. Synchrotron-Reflexion Weides Inzidenz Röntgentopographie unter Verwendung eines monochromatischen Röntgenstrahls (λ = 0,15 nm) im Aichi-Synchrotron-Strahlungszentrum ist der Ag-Vektor in BL8S2 -1-128 oder 11-28 (siehe Lit. 44 für Details). ).
Die Spannungsfrequenz bei einer Vorwärtsstromdichte von 2,5 A/CM2 wird in Abb. 1 mit einem Intervall von 0,5 V extrahiert. 2 Nach dem CVC jedes Zustands der Pindiode. Aus dem Mittelwert der Spannungsvave und der Standardabweichung σ der Spannung zeichnen wir eine Normalverteilungskurve in Form einer gepunkteten Linie in Abbildung 2 unter Verwendung der folgenden Gleichung dar:
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Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS -Mechanismus zur Beseitigung der Basalebene -Versetzungen in sic dünnen Filmen durch Epitaxie auf einem geätzten Substrat. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS -Mechanismus zur Beseitigung der Basalebene -Versetzungen in sic dünnen Filmen durch Epitaxie auf einem geätzten Substrat.Zhang Z., Moulton E. und Sudarshan Ts Mechanismus zur Eliminierung der Basisebene Versetzungen in sic -Dünnfilmen durch Epitaxie auf einem geätzten Substrat. Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, TS 通过在蚀刻衬底上外延消除 sic 薄膜中基面位错的机制。 薄膜中基面位错的机制。 Zhang, Z., Moulton, E. & Sudarshan, ts der Mechanismus der Eliminierung des sic dünnen Films durch Ätzen des Substrats.Zhang Z., Moulton E. und Sudarshan Ts Mechanismus zur Eliminierung der Basisebene Versetzungen in sic -Dünnfilmen durch Epitaxie auf geätzten Substraten.Anwendung Physik Wright. 89, 081910 (2006).
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Postzeit: November-06-2022
